Zastosowanie i perspektywy rozwoju adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych w chłodnictwie i klimatyzacji
Proces adsorpcji w przeciwieństwie do procesu absorpcji nie jest obecnie kojarzony z chłodnictwem i klimatyzacją. Pomijając fakt, gdy proces ten jest wykorzystywany w filtrach i osuszaczach. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że od kilku lat proces ten coraz śmielej wkracza na rynek chłodnictwa. Początkowo adsorpcyjne urządzenia chłodnicze traktowane były jedynie jako ciekawostka naukowa, w chwili obecnej można spotkać się z nimi w pracujących instalacjach.
Powody rozwoju adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych?
Jednym z powodów rozwoju adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych są coraz bardziej restrykcyjne przepisy dotyczące stosowania czynników chłodniczych zubożających warstwę ozonową. Restrykcje te nie dotyczą adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych, gdyż większość czynników chłodniczych z jakimi mamy do czynienia w urządzeniach adsorpcyjnych nie ma wpływu na warstwę ozonową. Głównymi czynnikami chłodniczymi stosowanymi w adsorpcyjnych urządzeniach chłodniczych są: woda, amoniak, metanol, dwutlenek węgla. Dzięki temu w instalacjach gdzie kilkanaście lat temu praktycznie nie było alternatywy dla urządzeń sprężarkowych dziś inwestorzy zastanawiają się nad zastosowaniem urządzenia absorpcyjnego bądź adsorpcyjnego. Urządzenia adsorpcyjne nie wyprą urządzeń sprężarkowych, ponieważ źródłem energii dla nich, podobnie jak w urządzeniach absorpcyjnych, jest energia cieplna. Zastosowanie ich więc ograniczone do miejsc, w których istnieje możliwość dostarczenia energii cieplnej. Optymalnym zastosowaniem jest instalacja, w której energia pochodzi z ciepła odpadowego.
Działania adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych
Istota działania adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego jest zbliżona do działania urządzenia absorpcyjnego. Czynnik chłodniczy jest adsorbowany i desorbowany przez adsorbent. Aczkolwiek w procesie adsorpcji czynnik chłodniczy jest ulega sorpcji przez ciało stałe, przez co układ jest inaczej zbudowany niż układ absorpcyjny.
Zasada działania
Zasada działania adsorpcyjnego urządzenia zostanie opisana na przykładzie urządzenia zbudowanego z dwóch adsorberów (rys. 2.). Pracę układu przedstawia się także za pomocą stanów termodynamicznych adsorberów (rys. 1). Układ pracuje cyklicznie i w tym urządzeniu składa się z dwóch półcyki. Na początku pierwszego półcyklu w adsorberze nr 1 panuje niskie ciśnienie, niska temperatura i adsorber jest nasycony czynnikem chłodniczym – stan A na rys. 1, natomiast w adsorberze nr 2 panuje wysoka temperatura, wysokie ciśnienie oraz adsorber posiada minimalną wartość zaadsorbowanego czynnika. Wszystkie zawory są zamknięte. Pierwszy półcykl polega na dostarczaniu ciepła do adsorbera nr 1, oraz odbieraniu ciepła z adsorbera nr 2. W wyniku wymiany ciepła w adsorberze nr 1 wzrasta temperatura i ciśnienie wzdłuż izostery A-B. Natomiast stan adsorbera nr 2 zmienia się wzdłuż izostery C-D. Gdy ciśnienie w adsorberze nr 1 wzrośnie do wartości ciśnienia skraplania , oraz ciśnienie w adsorberze nr 2 spadnie do wartości ciśnienia parowania , otwiera się zawór łączący adsorber nr 1 ze skraplaczem i zawór łączący adsorber nr 2 z parownikiem. W tym momencie zaczyna się efektywna praca układu chłodniczego. Z adsorbera nr 1 desorbuje czynnik chłodniczy, przepływa przez skraplacz i parownik, i jest adsorbowany w adsorberze nr 2. Stany adsorberów zmieniają się wzdłuż izobar B-C i D-A. Kiedy adsorber nr 1 osiągnie stan C, a adsorber nr 2 osiągnie stan A kończy się pierwszy półcykl. Zawory zamykają się. Drugi półcykl jest analogiczny do pierwszego z tą różnicą, że teraz to do adsorbera nr 2 dostarczamy ciepło, a z adsorbera nr 1 ciepło odbieramy.
Podział adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych
Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze dzielimy ze względu na ilość adsorberów oraz ze względu na rodzaj pracy adsorbera.
Zgodnie z pierwszym podziałem wyróżniamy urządzenia z jednym adsorberem, dwoma (rys. 2.), czteroma (rys. 3.) i większej ilości. Ilość adsorberów ma znaczenie z punktu widzenia ciągłości procesu chłodzenia.
W wypadku jednego adsorbera efektywny proces chłodzenia zachodzi jedynie podczas desorpcji czynnika. Co przy założeniu czasu desorpcji i adsorpcji na tym samym poziomie powoduje, że efekt chłodniczy uzyskuje się przez mniej niż połowę czasu działania urządzenia. Wynika to z faktu, że początek cyklu dostarczania ciepła do adsorbera to przemiana wzdłuż izostery. Czynnik chłodniczy nie przepływa wtedy przez skraplacz i parownik.
W przypadku dwóch adsorberów efektywny czas chłodzenia wzrasta dwukrotnie, ponieważ podczas gdy jeden adsorber desorbuje drugi adsorbuje. Jednak i w tym wypadku istnieje pewien okres czasu, w którym czynnik chłodniczy nie przepływa przez skraplacz i parownik, jest to czas przemian izosterycznych adsorberów.
Dopiero zastosowanie czterech adsorberów [1] w postaci przedstawionej na rysunku 3 umożliwia uzyskanie ciągłego efektu chłodniczego. Układ taki pracuje czteroetapowo. Etapy pracy adsorberów zostały przedstawione w tabeli 1. Każdy adsorber znajduje się w innym stanie. Na początku pierwszego etapu adsorber nr 1 znajduje się w stanie A, adsorber nr 2 znajduje się w stanie B, adsorber nr 3 znajduje się w stanie C i adsorber nr 4 znajduje się w stanie D. Poprzez cykliczną zmianę etapów pracy takiego urządzenia, w każdym momencie czynnik chłodniczy z jednego z adsorberów wypływa do skraplacza.
Cztery adsorbery znacznie komplikują układ i wymuszają swoją budową także odpowiedni układ sterowania, który będzie regulował przepływ czynników w systemie. Przy większej ilości adsorberów układ jest jeszcze bardziej skomplikowany.
Zgodnie z drugim kryterium podziału, adsorpcyjne urządzenia chłodnicze dzielimy na takie w których temperatura w każdym punkcie adsorbera jest jednakowa (przynajmniej do takiej się zmierza), oraz na urządzenia, w których w adsorberach jest zauważalny znaczny gradient temperatury złoża. Podział ten uzależniony jest od budowy adsorbera, a przede wszystkim od sposobu w jaki do adsorbera dostarczamy energię cieplną. Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze z gradientem temperatury w złożach są bardziej efektywne niż urządzenia o stałej temperaturze złoża. Niemniej jednak stosowane są oba rodzaje urządzeń, ponieważ w niektórych instalacjach złoże nagrzewa się równomiernie.
Bilans cieplny
Przedstawiony model termodynamiczny powstał na bazie modelu zaprezentowanego przez Cacciola i Restuccia [2]. Został on uogólniony, przez co można go stosować w większym zakresie, niż model przedstawiony przez Cacciola i Restuccia. Model przedstawia bilans cieplny adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego o jednakowej temperaturze złoża w adsorberach w danej chwili czasu.
Nomenklatura:
Bilans Adsorbera nr 1 (krzywa A-B-C z rys. 1):
Wydajność urządzeń
Na podstawie modelu termodynamicznego zostały przeprowadzone obliczenia wydajności adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego zbudowanego z dwóch adsorberów [3]. Obliczenia przeprowadzono dla dwóch par adsorbent-adsorptyw: zeolit 13X-woda, zeolit 4A-woda. Założono temperaturę parowania , oraz temperaturę skraplania .
Na rysunku 4 została przedstawiona zależność COP od temperatury źródła ciepła dla adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego składającego się z dwóch adsorberów. Jak widzimy urządzenie takie posiada dość niskie współczynniki wydajności chłodniczej COP. Okazuje się, że wydajność takiego urządzenia w znacznym stopniu zależy od temperatury źródła ciepła. Im wyższa temperatura tym wartość współczynnika wydajności chłodniczej lepsza. Z rysunku 4 wynika także, iż powyżej pewnej temperatury COP nie zmienia się znacząco. Oznacza to, że praca urządzenia ze źródłami ciepła o wyższych temperaturach jest nieefektywna.
Poprawa efektywności
Na końcu każdego półcyklu, jeden adsorber jest gorący, a drugi jest zimny. W jednym panuje wysokie ciśnienie, gdy w drugim jest niskie. Aby można było odwrócić kierunek przepływu czynnika chłodniczego musimy odwrócić warunki w adsorberach. Początek każdego półcyklu zaczyna się od:
- podwyższenia temperatury w zimnym adsorberze;
- obniżenia temperatury w ciepłym adsorberze;
- podwyższenia ciśnienia w adsorberze z niskim ciśniem;
- obniżenia ciśnienia w adsorberze z wysokim ciśnieniem;
Są to procesy energochłonne. Podczas zachodzenia tych procesów, nie następuje przepływ czynnika chłodniczego z jednego adsorbera do drugiego przez skraplacz i parownik. Cała dostarczana i odbierana energia wykorzystywana jest jedynie do zmiany właściwości cieplnych w adsorberach. Dlatego w początkowej fazie każdego półcyklu, nie otrzymujemy ani efektu chłodniczego, ani cieplnego.
Zmniejszenie zużycia energii w fazie początkowej
Jednym ze sposobów zmniejszenia zużycia energii w fazie początkowej, jest proces wyrównania ciśnień. Polega on na samoistnym wyrównaniu ciśnienia w adsorberach. Po każdym półcyklu, kiedy adsorbery są odłączone od parownika i skraplacza, otwieramy zawór łączący oba adsorbery. Zawór pozostaje otwarty do momentu, aż ciśnienia w obu adsorberach. Następnie zamykamy zawór i możemy rozpocząć kolejny półcykl.
Kolejnym pomysłem na zmniejszenie efektywności pracy adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego, jest proces wyrównania temperatur. Polega on na przetransportowaniu energii cieplnej z jednego adsorbera do drugiego, we wstępnej fazie każdego półcyklu. Ciepło możemy przenosić jedynie do momentu wyrównania temperatur (nie stosując dodatkowych pomp ciepła).
Stosując to rozwiązanie, potrzebny jest dodatkowy obieg czynnika, który będzie transportował ciepło z jednego adsorbera do drugiego. Wykorzystuje się do tego obieg czynnika dostarczającego lub odbierającego ciepło z adsorberów. Różnica jest jedynie taka, że w chwili wymiany ciepła pomiędzy adsorberami, czynnik nie płynie ani przez źródło ciepła, ani przez system chłodzenia. Dzięki pompie przepływa w obiegu zamkniętym z jednego adsorbera do drugiego i z powrotem.
Na rysunku 5 została przedstawiona zależność COP od temperatury źródła ciepła dla adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego z procesem wyrównania ciśnień i temperatur. Procesy te w zauważalny sposób polepszają efektywność adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego. W rzeczywistych układach jest to wzrost o 30-40%.
Zastosowanie
Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze z jednym adsorberem zazwyczaj są wykorzystywane w instalacjach o cyklu dobowym. Źródłem ciepła w takich instalacjach jest energia słoneczna. Przy pomocy czynnika pośredniczącego ciepło jest transportowane z kolektora słonecznego do adsorbera. Są też instalacje w których promieniowanie słoneczne bezpośrednio ogrzewa złoża adsorbentu. W dzień, dzięki energii słonecznej adsorber desorbuje, co powoduje przepływ czynnika chłodniczego. Czynnik po przejściu przez skraplacz i parownik trafia do zbiornika w którym się gromadzi. W nocy gdy temperatura spada, a słońce nie świeci, adsorber adsorbuje czynnik chłodniczy. Zaletą takiego urządzenia jest fakt, że działa ono najefektywniej gdy temperatura jest najwyższa – czyli jest to także czas kiedy najbardziej potrzebujemy mocy chłodniczej.
Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze z dwoma adsorberami znalazły zastosowanie przede wszystkim w instalacjach do wytwarzania lodu na kutrach rybackich, oraz w instalacjach do odzysku ciepła w pomieszczeniach gastronomicznych. Przerwa w działaniu pomiędzy jednym a drugim półcyklem nie jest zbyt duża i można z powodzeniem stosować tego typu urządzenia. Wykorzystywane są przede wszystkim instalacje z gradientem temperatury wzdłuż złoża, gdyż umożliwia to w znaczący sposób ograniczyć zużycie energii cieplnej. Źródłem ciepła w instalacjach na kutrach są spaliny, natomiast w instalacjach w pomieszczeniach gastronomicznych źródłem ciepła jest gorące powietrze z pieców.
Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze z większą ilością adsorberów – czyli te którą są w stanie zagwarantować jednostajną moc chłodniczą, mają podobne zastosowania jak urządzenia z dwoma adsorberami. Ograniczeniami w stosowaniu urządzeń np.: z czterema adsorberami jest jedynie wielkość takiej instalacji, która znacznie przewyższa wielkość instalacji z dwoma adsorberami.
Perspektywy rozwoju
Zjawisko adsorpcji coraz wyraźniej zaczyna konkurować ze zjawiskiem absorpcji w chłodnictwie. Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze w niektórych zastosowaniach wypierają instalacje absorpcyjne a także instalacje sprężarkowe.
Wszędzie tam gdzie mamy do czynienia z ciepłem odpadowym, można zastanawiać się nad wykorzystaniem tego typu urządzenia. Prace naukowe, pokazują nam całą gamę zastosowań adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych od wytwornicy lodu na pustyni „napędzanej” energią słoneczną po próby zastosowania w przemyśle samochodowym.
Badania naukowe prowadzone nad adsorpcyjnymi urządzeniami chłodniczymi w znaczący sposób pomogły zwiększyć efektywność ich pracy. Próby z zastosowaniem nowych par adsorbent-adsorptyw wraz z dalszą poprawą efektywności na pewno spowodują dalszy wzrost konkurencyjności adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych. Można więc przypuszczać, że adsorpcyjne urządzenia chłodnicze w najbliższych latach staną się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem na pozyskiwanie zarówno chłodu jak i ciepła. W chwili obecnej nie cieszą się one zbyt dużą popularnością w związku z dość niskimi rzeczywistymi wartościami współczynnika wydajności chłodniczej (0,2-0,6). Dlatego też stosowane są przede wszystkim tam, gdzie, źródłem energii jest ciepło odpadowe.
Autor: Andrzej Grzebielec
